Методы и устройства охлаждения чувствительных элементов приемников излучения

Обнаружительная способность приемника излучения будет тем выше чем меньше собственный шум этого приемника. Снижение шума преобразователя «излучение-сигнал» в информационных системах достигается его охлаждением до температуры, при которой уже реализуется технические требования, предъявляемые к информационной системе, а вес, габариты и стоимость системы охлаждения приемлемы.

В настоящее время при создании инфракрасных информационных систем применяются четыре способа охлаждения:

- сжиженными глазами;

- за счет адиабатического расширения газа – (эффект Джоуля-Томсона);

- криогенными установками;

- за счет термоэлектрического эффекта Пельтье.

Выбор того или иного способа связан с конкретными требованиями к информационному прибору, к рабочей температуре чувствительного элемента приемника, к длительности автономного функционирования информационного прибора.

При охлаждении сжиженными газами чувствительного элемента используется криостат с жидким азотом, жидким водородом или жидким гелием.

Криостат представляет собой сосуд Дьюара, состоящий из двух колб с вакуумированным пространством между ними. Криостат при конструировании информационного прибора должен быть хорошо теплоизолирован от окружающей его среды.

При работе с криостатами чувствительный приемник излучения может быть охлажден с помощью жидкого азота до температуры 77 ºК, с помощью жидкого водорода до температуры 20,3ºК, с помощью гелия до температуры 4,2ºК.

Обычно применение жидкого азота позволяет реализовать требования к обнаружительной способности преобразователя «излучение-сигнал». Кроме того, жидкий азот безопасен в эксплуатации и существенно дешевле жидкого гелия и водорода.

Учитывая малую массу чувствительного элемента, выход на рабочую температуру охлаждения при применении криостатов происходит за несколько секунд. Время непрерывной работы информационного прибора криостаты позволяют обеспечить 3…4 часа. Однако, если после взлета-посадки по каким-либо причинам автоматический объект управления с информационным прибором не применен после взведения криостата, то возникает проблема замены охлаждения чувствительного элемента для дальнейшего автономного хранения летательного аппарата.

Холодильник, основанный на понижении температуры газа при его адиабатическом расширении, в свой состав должен включать:

- баллон с азотом под давлением с вентилем и системой регулирования расхода газа;

- фильтр для очистки газа;

- теплообменник для адиабатического расширения газа. Обычно теплообменник представляет собой сосуд Дьюара, в котором помещена трубка, подводящая азот высокого давления. Эта трубка обмотана спиралью для улучшения теплообмена.

Дросселирующее отверстие трубки мало, 25…70 мкм, и размещается вблизи чувствительного элемента приемника излучения. При быстром расширении газа в сосуде Дьюара в процессе его истечения через дросселирующее отверстие трубки получают небольшой температурный перепад. Однако так как трубка с подводимым газом обвита металлической спиралью, то охлажденный газ, выходя из сосуда Дьюара, отбирает тепло от металлической спирали и соответственно охлаждает спираль, трубку и газ.

Требуемая для работы чувствительного элемента приемника излучения температура 77 ºК достигается через несколько минут работы.

Холодильник, использующий эффект Джоуля – Томсона, более инерционен, чем криостат. Время автономной работы зависит от размера баллона со сжатым газом.

Криогенные установки для охлаждения работают на основе различных термодинамических циклов. Наиболее часто применяют цикл Стирлинга. Для реализации цикла Стирлинга криогенная машина должна включать в себя два цилиндра, объемы которых соединены регенератором, осуществляющим теплообмен между двумя этими объемами с различной температурой. Регенератор представляет собой пористую металлическую массу с большой теплоемкостью, благодаря чему газ отдает регенератору или забирает на него тепло в зависимости от направления циркуляции газа через регенератор от более нагретого объема к менее нагретому или наоборот.

Цикл Стрлинга имеет четыре фазы (рис. 5.10):

- в фазе «а» происходит изотермическое сжатие газа при постоянной температуре T₁ в первой камере А.

- в фазе «b» происходит переход газа при постоянном объеме во вторую камеру «В» через регенератор, в котором газ отдает тепло и охлаждается до температуры T₂ < T₁;

- в фазе «c» происходит изотермическое расширение газа при температуре T₂ во второй камере «В» с поглощением тепла от окружающей среды, которую представляет металлический стержень, охлаждающий в сосуде Дьюара чувствительный элемент приемника излучения;

- в фазе «d» происходит возврат газа в камеру «A»; при этом вытесняемый поршнем камеры «В» газ при прохождении через регенератор отбирает у него тепло.

Рис. 5.10

Способ охлаждения с помощью криогенной установки, работающей по циклу Стирлинга, позволяет обеспечить требуемое охлаждение чувствительного элемента приемника излучения при малых габаритах и малом энергопотреблении установки.

Термоэлектрические холодильники применяются в приемниках излучения, не требующих для работы глубокого охлаждения до температуры жидкого азота. Термоэлектрические холодильники работают на основе эффекта Пельтье.

Термоэлектрический эффект Пельтье состоит в поглощении (или выделении) тепла на спае двух различных металлов или полупроводников, когда в цепи спая протекает электрический ток.

Наиболее широко в термоэлектрических холодильниках используется теллурид висмута (Bi₂Te₃).

С помощью холодильников на основе теллурида висмута можно получить следующие температурные режимы чувствительных элементов приемников излучения:

- при использовании одного модуля 243 ºК (-30 ºC), площадь охлаждения 1х1 см² ;

- при использовании термобатареи из двух модулей 213 ºК (-60 ºC), площадь охлаждения 0,5х0,5 см²;

- при использовании термобатареи из трех модулей 198 ºК (-75 ºC), площадь охлаждения 0,5х0,5 см²;

- при использовании термобатареи из четырех модулей 188 ºК (минус 85ºC), а из шести 173 ºК (минус 100ºC).

В частности, для селенида свинца PbSe достаточно высокая обнаружительная способность может быть реализована с помощью трехкаскадной термобатареи из модулей теллурида висмута (рис. 5.11).

Рис.5.11

В настоящее время в ИК - технике в основном применяется холодильники Стирлинга и термоэлектрическое охлаждение чувствительных элементов. Причем термоэлектрическое охлаждение используется в весьма перспективных многоформатных «смотрящих» матрицах, имеющих весьма приемлемый уровень параметров в ИК – области спектра.